JP4530878B2 - 電圧比較器、それを用いた過電流検出回路ならびに半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧比較器に関し、特にその検査技術に関する。

電圧を安定化させるレギュレータ回路などにおいては、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、バイポーラパワートランジスタなどが出力トランジスタとして用いられている。これらのトランジスタは、最大許容電流として、通常の動作時に流れる電流値に対して十分なマージンを持つよう設計されている。

ところが、このように十分な設計マージンを持つよう設計した場合においても、出力負荷回路が短絡した場合などにおいては、最大許容電流を超す大きな過電流がトランジスタに流れ、その信頼性に影響を及ぼすという問題があった。また、トランジスタの最大許容電流以下であっても、トランジスタに接続される負荷回路を保護するために、電流制限をしたい場合があった。

そこで従来においては、過電流からパワートランジスタを保護し、あるいは、負荷回路に流れる電流を制限するために、過電流保護回路、電流制限回路などを設け、回路の保護を図っていた（特許文献１、特許文献２）。

こうした過電流検出を行う回路（以下、過電流検出回路という）においては、特許文献１に開示されるように、演算増幅器が電圧比較器として用いられ、検出対象の電流を電圧に変換し、その電圧と所定のしきい値電圧を比較することによって過電流状態を検出する。

ここで、電圧比較器として用いられる演算増幅器は、非反転入力端子と反転入力端子にオフセットを有する場合がある。このオフセットによって電圧比較器は、所定のしきい値電圧ではなく、オフセットによってシフトされたしきい値電圧と検出電圧を比較することになるため、過電流検出のしきい値電流がオフセット分シフトすることになり、回路の信頼性に影響を及ぼすおそれがあった。

この問題を解決するために、演算増幅器のオフセットを予め測定する場合を考える。図４は、演算増幅器により構成される電圧比較器のオフセットを測定するための回路図の一例を示す。
電圧比較器２００は、演算増幅器１０、基準電圧源１２、抵抗Ｒ１、Ｒ２を含む。入力端子１０２に印加される検査電圧Ｖｉｎは、抵抗Ｒ１、Ｒ２により分圧され、演算増幅器１０の非反転入力端子に入力される。演算増幅器１０の非反転入力端子には基準電圧源１２から出力される基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。演算増幅器１０にオフセットが存在しない理想状態において、この電圧比較器２００は、しきい値電圧をＶｔｈ＝Ｖｒｅｆ×（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２として、Ｖｉｎ＞Ｖｔｈのときローレベルを、Ｖｉｎ＜Ｖｔｈのときハイレベルを出力端子１０４から出力する。

特開平５−３１５８５２号公報 特開２００２−３０４２２５号公報

電圧比較器２００のしきい値電圧は、実際には演算増幅器１０のオフセットなどによって上述の理想状態からずれたものとなる。この電圧比較器２００の実際のしきい値電圧Ｖｔｈを測定するために、電圧比較器２００の入力端子１０２には、第１電圧計３００、電圧源３０２が接続される。また、出力端子１０４には第２電圧計３０４が接続される。
電圧源３０２によって検査電圧Ｖｉｎをスイープさせ、第１電圧計３００によって検査電圧Ｖｉｎを、第２電圧計３０４によって出力電圧Ｖｏｕｔを測定する。検査電圧Ｖｉｎをスイープさせると、ある値に達したときに、出力電圧Ｖｏｕｔがハイレベルからローレベルに切り替わる。このときの検査電圧Ｖｉｎの値が電圧比較器２００のしきい値電圧となる。

しかしながら、図４の回路によって電圧比較器２００のしきい値電圧を測定する場合、検査電圧Ｖｉｎをスイープさせる必要があるため、検査に時間を要してしまうという問題があった。また、測定装置として、第１電圧計３００、電圧源３０２、第２電圧計３０４が必要であり装置が複雑となるという問題もある。さらに、電圧比較器２００がＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）の内部に集積化される場合、電圧源３０２や第２電圧計３０４を接続するために、入力端子１０２、出力端子１０４を検査パッドとして形成する必要があり、回路面積が増大するという問題もある。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、しきい値電圧が簡易に検査可能で、また必要に応じてそのしきい値電圧を調節可能な電圧比較器、およびこれを用いた過電流検出回路の提供にある。

本発明のある態様は電圧比較器に関する。この電圧比較器は、入力端子に印加される検査電圧と所定のしきい値電圧を比較する電圧比較器であって、所定の基準電圧を生成する基準電圧源と、検査電圧が反転入力端子に印加され、基準電圧が非反転入力端子に印加される演算増幅器と、演算増幅器の出力端子と入力端子間に設けられ、当該電圧比較器のしきい値電圧を検査する検査モードにおいてオンし、検査電圧としきい値電圧を比較する通常モードにおいてオフするスイッチと、を備える。

この態様によると、通常モードにおいては、スイッチをオフすることにより演算増幅器の出力端子と入力端子への帰還経路が遮断され、演算増幅器は、電圧比較器として動作する。検査モードにおいては、スイッチをオンすることにより、演算増幅器の出力端子と非反転入力端子が接続され、帰還増幅器として動作する。入力端子への検査電圧の印加を停止した状態でスイッチをオンし、演算増幅器の出力端子に現れる電圧を測定することによって電圧比較器のしきい値電圧を測定することができる。

電圧比較器は、スイッチのオンオフ状態を制御するスイッチ制御部をさらに備えてもよい。

電圧比較器は、入力端子に印加される検査電圧を分圧して演算増幅器の反転入力端子に出力する抵抗群を備えると更によい。
検査電圧を分圧する抵抗群を設けた場合には、演算増幅器のオフセットや抵抗群の抵抗値のばらつきによって電圧比較器のしきい値電圧がシフトした場合にも、しきい値電圧を測定することができる。

抵抗群に含まれるいずれかの抵抗はトリミング可能に形成すると更によい。抵抗をトリミング可能に形成することによって、検査モードにおいてしきい値電圧を測定した結果、所望の値からずれていた場合には、その抵抗をトリミングすることによって所望のしきい値電圧を有する電圧比較器を得ることができる。

スイッチに替えてその部分を配線で直結し、当該配線によってスイッチのオン状態を実現するとともに、当該配線を切断することによってスイッチのオフ状態を実現してもよい。
この態様によれば、スイッチに替えて配線を用い、配線を切断することによって帰還増幅器と電圧比較器を切り替えることができ、しきい値電圧を測定した後、電圧比較器として使用することができる。「配線を切断」とは、配線を物理的に切断する他、０Ωの抵抗を外したり、ジャンパ線を外す場合等も含む。

本発明の別の態様は、過電流検出回路である。この過電流検出回路は、検出対象となる電流を電圧に変換する電流電圧変換部と、電流電圧変換部から出力される電圧が検査電圧として入力される上述の電圧比較器と、を備え、電流電圧変換部から出力される電圧が、電圧比較器のしきい値電圧を超えたときに過電流状態と判定する。

この態様によると、電圧比較器のしきい値電圧を検査モードにおいて測定することができるため、過電流状態の検出しきい値電流を測定し、またその検出しきい値電流を補正することができる。

本発明の別の態様は、半導体装置である。この半導体装置は、上記過電流検出回路を備え、過電流検出回路が過電流状態を検出すると、検出対象の電流を制限するよう動作する。
この態様によれば、過電流状態の検出しきい値電流を正確に設定できるため、半導体装置の発熱などを好適に防止し、製品の信頼性を向上することができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明に係る電圧比較器によれば、しきい値電圧を簡易に検査し、また必要に応じてそのしきい値電圧を補正することができる。また、本発明に係る過電流検出回路によれば、しきい値電流を補正することができる。さらに、本発明に係る半導体装置によれば、信頼性を向上することができる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電圧比較器１００の構成を示す回路図である。本実施の形態に係る電圧比較器１００は、ＬＳＩに集積化されており、入力端子１０２に印加される検査電圧Ｖｉｎと、所定のしきい値電圧Ｖｔｈを比較する。出力端子１０４には、Ｖｉｎ＞Ｖｔｈのときローレベルの、Ｖｉｎ＜Ｖｔｈのときハイレベルの出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。

電圧比較器１００は、演算増幅器１０、基準電圧源１２、抵抗Ｒ１、Ｒ２、スイッチＳＷ１、スイッチ制御部１４を含む。
基準電圧源１２は、所定の基準電圧Ｖｒｅｆを生成する。演算増幅器１０は、非反転入力端子に基準電圧源１２が接続され、基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。
入力端子１０２と接地電位間には、抵抗Ｒ１、Ｒ２が直列に接続され、抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点は、演算増幅器１０の反転入力端子と接続される。この抵抗Ｒ１、Ｒ２によって、検査電圧Ｖｉｎが分圧され、演算増幅器１０の反転入力端子には、電圧Ｖｘ＝Ｖｉｎ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）が印加される。演算増幅器１０の出力端子は、電圧比較器１００の出力端子１０４となっている。

スイッチＳＷ１は、演算増幅器１０の出力端子、すなわち出力端子１０４と、入力端子１０２間に設けられる。スイッチＳＷ１は、電圧比較器１００のしきい値電圧Ｖｔｈを検査する検査モードにおいてはオン状態となり、検査電圧Ｖｉｎとしきい値電圧Ｖｔｈを比較する通常モードにおいてはオフ状態となる。スイッチＳＷ１のオン、オフ状態は、スイッチ制御部１４から出力される制御信号ＣＮＴによって切り替えられる。スイッチＳＷ１は、たとえばＭＯＳＦＥＴなどを用いたアナログスイッチで構成することができる。
スイッチ制御部１４は、通常モードと検査モードを判別し、検査モードにおいてスイッチＳＷ１がオンし、通常モードにおいてスイッチＳＷ１がオフするように制御信号ＣＮＴを出力する。

電圧比較器１００が電圧比較を行う通常モードにおいては、制御信号ＣＮＴによってスイッチＳＷ１はオフ状態とされる。このとき、演算増幅器１０の出力端子１０４と入力端子１０２への帰還経路が遮断され、演算増幅器１０は電圧比較器として動作する。
演算増幅器１０の出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｖｘ＞Ｖｒｅｆのときローレベル、Ｖｘ＜Ｖｒｅｆのときハイレベルとなる。いま、Ｖｘ＝Ｖｉｎ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）が成り立っているから、電圧比較器１００は、しきい値電圧ＶｔｈがＶｔｈ＝Ｖｒｅｆ×（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２で与えられる電圧比較器として動作し、Ｖｉｎ＞Ｖｔｈのときローレベルを、Ｖｉｎ＜Ｖｔｈのときハイレベルを出力する。

以上のように構成された電圧比較器１００のしきい値電圧Ｖｔｈを測定する検査モード時の動作について説明する。図２は、本実施の形態に係る電圧比較器１００のしきい値電圧を測定するための回路図を示す。以降の図において、図１と同一もしくは同等の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。しきい値電圧Ｖｔｈを測定するために、入力端子１０２には、電圧計３０６が接続される。

検査モードにおいては、制御信号ＣＮＴによってスイッチＳＷ１がオン状態とされる。スイッチＳＷ１をオンすることにより、演算増幅器１０は、出力端子と反転入力端子が抵抗Ｒ１を介して接続され、帰還増幅器として動作する。
演算増幅器１０の入力インピーダンスは十分に高く、スイッチＳＷ１のオン抵抗が抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値に比べて十分に低い場合には、スイッチＳＷ１には電流がほとんど流れないため、スイッチＳＷ１での電圧降下は無視して差し支えない。したがって、入力端子１０２への検査電圧Ｖｉｎの印加を停止した状態でスイッチＳＷ１をオンすると、入力端子１０２には、出力電圧Ｖｏｕｔが現れる。

理想的な演算増幅器は、平衡状態において反転入力端子と非反転入力端子の電圧が等しくなるが、実際の演算増幅器では、オフセットによってこれらの電圧がずれることになる。このときの反転入力端子の電圧をＶｒｅｆ’とすると、入力端子１０２、出力端子１０４の電圧は、Ｖｉｎ＝Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ’×（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２となる。このときのＶｉｎ、Ｖｏｕｔは、この電圧比較器１００のしきい値電圧Ｖｔｈとなる。
したがって、入力端子１０２に接続された電圧計３０６によって出力電圧Ｖｏｕｔを測定し、その値がＶｏｕｔ１であったとすると、電圧比較器１００のしきい値電圧Ｖｔｈは、Ｖｏｕｔ１となる。

このように、本実施の形態に係る電圧比較器１００によれば、演算増幅器１０の出力端子１０４と検査電圧Ｖｉｎが印加される入力端子１０２間にスイッチを設け、検査モード時に、そのスイッチをオンすることによって、電圧比較器１００のしきい値電圧を測定することができる。

この場合、図４に示した測定方法と比較して、検査電圧Ｖｉｎを印加し、スイープさせる必要が無くなるため、検査時間を短縮することができる。また、電圧測定も、入力端子１０２もしくは出力端子１０４に現れる電圧のいずれか一方についてのみ行えばよいため、検査装置を簡略化することができる。さらに、電圧測定を入力端子１０２、出力端子１０４のいずれかについてのみ行えばよく、いずれか一方のみに検査パッドを設ければよいため、回路面積を小さくすることができる。

図２では、電圧計３０６を入力端子１０２に接続した場合について説明したが、スイッチＳＷ１の電圧降下が無視できる場合、電圧計３０６を出力端子１０４に接続してその電圧を測定してもよい。

また、検査電圧Ｖｉｎを分圧する抵抗Ｒ１、Ｒ２はなくてもよく、抵抗Ｒ２をオープンとし、抵抗Ｒ１をショートしてもよい。このとき、電圧比較器１００のしきい値電圧Ｖｔｈは、理想状態において基準電圧源１２により生成される基準電圧Ｖｒｅｆと等しくなる。
この場合においても、スイッチＳＷ１をオンした状態で、入力端子１０２もしくは出力端子１０４に現れる電圧を測定することによって、電圧比較器１００のしきい値電圧を測定することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、過電流検出回路である。
図３は、本実施の形態に係る過電流検出回路の構成を示す回路図である。過電流検出回路５００は、電流電圧変換部４００と、電圧比較器１００を含む。

電流電圧変換部４００は、検出対象となる電流（以下、検出電流という）Ｉｄｅｔを検出電圧Ｖｄｅｔに変換し、電圧比較器１００の入力端子１０２へと出力する。電流電圧変換部４００は、第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２、抵抗Ｒ３を含む。第１トランジスタＭ１は、Ｐ型のＭＯＳＦＥＴであり、検出電流Ｉｄｅｔが流れる経路に設けられる。第２トランジスタＭ２は、第１トランジスタＭ１と同様にＰ型のＭＯＳＦＥＴであり、第１トランジスタＭ１とゲート端子およびソース端子が共通に接続される。第２トランジスタＭ２は、第１トランジスタＭ１に流れる検出電流Ｉｄｅｔに比例した電流Ｉｍ２＝Ｓ１×Ｉｄｅｔを生成する。ここでＳ１は、第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２のサイズ比である。

抵抗Ｒ３は、第２トランジスタＭ２のドレイン端子と接地電位間に設けられる。抵抗Ｒ３には、第２トランジスタＭ２に流れる電流Ｉｍ２が流れ、Ｒ３×Ｉｍ２＝Ｒ３×Ｓ１×Ｉｄｅｔの電圧降下が発生する。電流電圧変換部４００は、抵抗Ｒ３に発生する電圧降下を検出電圧Ｖｄｅｔとして出力する。

以上のように構成された過電流検出回路５００の動作について説明する。
検査モードにおいては、第１の実施の形態で説明したように、スイッチＳＷ１をオンして、しきい値電圧Ｖｔｈを測定することができる。

本実施の形態に係る電圧比較器１００の抵抗Ｒ２はトリミング可能に形成される。検査モードにおいて測定したしきい値電圧Ｖｔｈが所定の値からずれていた場合には、抵抗Ｒ２をトリミングすることによってしきい値電圧Ｖｔｈを調節することができる。
なお、抵抗Ｒ２に代えて、抵抗Ｒ１をトリミング可能に形成してもよく、あるいはその両方をトリミング可能に形成してもよい。

過電流状態の検出を行う通常モードにおいては、スイッチＳＷ１をオフする。
電圧比較器１００は、Ｖｄｅｔ＞Ｖｔｈのときローレベルを、Ｖｄｅｔ＜Ｖｔｈのときハイレベルを出力する。検出電流Ｉｄｅｔが増加すると、検出電圧Ｖｄｅｔが高くなり、しきい値電流より大きくなったところで、電圧比較器１００の出力はハイレベルからローレベルへと変化し、過電流状態を検出することができる。

本実施の形態に係る過電流検出回路５００によれば、電圧比較器２００のしきい値電圧Ｖｔｈを簡易に測定でき、過電流検出のしきい値電流Ｉｔｈは、Ｉｔｈ＝Ｖｔｈ／（Ｒ３×Ｓ１）により求めることができる。
さらに、抵抗Ｒ１、Ｒ２を測定したしきい値電圧にもとづいてトリミングすることによって、しきい値電圧Ｖｔｈ、すなわちしきい値電流Ｉｔｈを調節することができるため、正確な過電流状態の検出を行うことができる。なお、トリミングはヒューズ形式でもよいし、不揮発メモリを用いて回路的に行うようにしてもよい。
この過電流検出回路５００を用いた半導体装置においては、正確な過電流状態の検出が可能となるため、発熱などを低減し、製品の信頼性を向上することができる。

上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態において、スイッチＳＷ１はＭＯＳＦＥＴである場合について説明したがこれには限定されず、バイポーラトランジスタや、その他のスイッチ素子を用いてもよい。また、しきい値電圧の測定をＬＳＩの検査時にのみ行うような場合には、スイッチＳＷ１を切断可能なアルミ配線などによって形成してもよい。この場合、ＬＳＩの検査時において、アルミ配線で電圧比較器１００の出力端子１０４と入力端子１０２が接続された状態で、上述のようにしきい値電圧Ｖｔｈの測定を行い、測定後にアルミ配線を切断することにより、スイッチＳＷ１がオフした状態とすることができ、高精度の電圧比較器として動作させることができる。

実施の形態において、スイッチＳＷ１のオン、オフ状態はスイッチ制御部１４によって制御されたがこれには限定されない。たとえば、スイッチＳＷ１がＭＯＳＦＥＴの場合、ゲート端子に外部から電圧が印加可能にパッドを設け、検査モードにおいてゲートソース間に外部から電圧を印加してＭＯＳＦＥＴをオンさせてもよい。

実施の形態においては、電流電圧変換部４００等に使用するトランジスタはＭＯＳＦＥＴの場合についてのみ説明したが、バイポーラトランジスタ等の別のタイプのトランジスタを用いてもよい。これらの選択は、電源装置に要求される設計仕様、使用する半導体製造プロセスなどによって決めればよい。

実施の形態において、電圧比較器、過電流検出回路を構成する素子はすべて一体集積化されていてもよく、その一部がディスクリート部品で構成されていてもよい。どの部分を集積化するかは、使用する半導体製造プロセスや、コスト、占有面積などにもとづいて決めればよい。

第１の実施の形態に係る電圧比較器の構成を示す回路図である。 図１の電圧比較器のしきい値電圧を測定するための回路図である。 第２の実施の形態に係る過電流検出回路の構成を示す回路図である。 演算増幅器により構成される電圧比較器のオフセットを測定するための回路図である。

符号の説明

１０ 演算増幅器、 １２ 基準電圧源、 １４ スイッチ制御部、 １００ 電圧比較器、 ２００ 電圧比較器、 ＳＷ１ スイッチ、 １０２ 入力端子、 １０４ 出力端子、 ３０２ 電圧源、 ４００ 電流電圧変換部、 ５００ 過電流検出回路、 Ｒ１ 抵抗、 Ｒ２ 抵抗。

Claims (7)

1. 入力端子に印加される検査電圧と所定のしきい値電圧を比較する電圧比較器であって、
   所定の基準電圧を生成する基準電圧源と、
   前記検査電圧が反転入力端子に印加され、前記基準電圧が非反転入力端子に印加される演算増幅器と、
   前記演算増幅器の出力端子と前記入力端子間に設けられ、当該電圧比較器のしきい値電圧を検査する検査モードにおいてオンし、前記検査電圧と前記しきい値電圧とを比較する通常モードにおいてオフするスイッチと、
   を備えることを特徴とする電圧比較器。
2. 前記スイッチのオンオフ状態を制御するスイッチ制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電圧比較器。
3. 前記入力端子に印加される検査電圧を分圧して前記演算増幅器の反転入力端子に出力する抵抗群をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電圧比較器。
4. 前記抵抗群に含まれるいずれかの抵抗はトリミング可能に形成されることを特徴とする請求項３に記載の電圧比較器。
5. 前記スイッチに替えてその部分を配線で直結し、当該配線によってスイッチのオン状態を実現するとともに、当該配線を切断することによってスイッチのオフ状態を実現することを特徴とする請求項１に記載の電圧比較器。
6. 検出対象となる電流を電圧に変換する電流電圧変換部と、
   前記電流電圧変換部から出力される電圧が検査電圧として入力される請求項１から５のいずれかに記載の電圧比較器と、を備え、
   前記電流電圧変換部から出力される電圧が、前記電圧比較器のしきい値電圧を超えたときに過電流状態と判定することを特徴とする過電流検出回路。
7. 請求項６に記載の過電流検出回路を備え、前記過電流検出回路が過電流状態を検出すると、検出対象の電流を制限するよう動作することを特徴とする半導体装置。

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